第３Ｏ卷第７期 ２０１１年７月 实验室研究与探索 Ｖｏ１．３Ｏ ＮＯ．７ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＡＮＤ ＥＸＰＬＯＲＡＴＩＯＮ ＩＮ ＬＡＢＯＲＡＴＯＲＹ Ｊｕ１．２０ｌ１ 硅太阳能电池输出功率与负载匹配特性 郭阳雪 ， 孔祥洪 ， 杨 渭 ， 江瑞煌 （上海海洋大学ａ．物理实验中心；ｂ．工程学院，上海２０１３０６） 摘 要：硅太阳能电池输出功率易受外界环境的影响，＂３负载变化时，其输出功率不能达到最优输出状 －态。为提高太阳能电池的利用率，实现硅电池输出功率和负载之间最佳匹配，对太阳能电池的输出功率 特性进行了测试。试验中，设置一定的温度范围，通过改变负载的大小，测试负载对硅太阳能电池输出 功率及其有用功率的影响，并通过Ｏｒｉｇｉｎ软件对试验数据进行拟合处理。结果表明，负载约为１．３ ｋｎ 时，硅太阳能电池输出功率最大；１．５ ｋｆｔ左右时，硅太阳能电池输出功率稳定；负载约为１．６５ ｋｌｌ时，硅 太阳能电池的功率因素最大。 关键词：硅太阳能电池；输出功率；开路电压；负载；功率因素 中图分类号：ＴＭ ９１４．４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００６—７１６７（２０１１）０７—００２０—０３ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ Ｌｏａｄ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ Ｓｉ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ ＧＵＯ ｒａｎｇ一２ｃｕｅ ，ＫＯＮＧ Ｘｉａｎｇ．ｈｏｎｇ ， ｒＡＮＧ ｗｅｉ ，ＪＩＡＮＧ Ｒｕｉ—ｈｕａｎｇ （ａ．Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｃｅｎｔｅｒ；ｂ．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｏｃｅａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０ １ ３０６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｓｉ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ ａｒｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ ｂｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｍａｔｃｈ ｂｅｔｗｅｅｎ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｌｏａｄ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ Ｓｉ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ ｗｅｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｄｅｓｉｇｎｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｔｏ ｔｅｓｔ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｌｏａｄ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｎ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｕｓｅｆｕｌ ｐｏｗｅｒ ｏｆ Ｓｉ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ ｉｎ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒａｎｇｅ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ ｉｓ ｔｏ ｄｅａｌ ｗｉｔｈ ｔｈｒｏｕｇｈ Ｏｒｉｇｉｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ Ｓｉ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｉｓ ｍａｘｉｍａｌ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｉｓ ａｂｏｕｔ １．３ ｋｌｌ； ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｉｓ ａｂｏｕｔ １．５ ｋｌｌ，Ｓｉ ｃｅｌｌｓ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｉｓ ｓｔａｂｌｅ；ａｎｄ Ｓｉ ｃｅｌｌｓ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｉｓ ｔｈｅ ｌａｒｇｅｓｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｉｓ ａｒｏｕｎｄ １．６５ ｋｇｔ．Ｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｐｌａｙｓ ａ ｖｅｒｙ ｕｓｅｆｕｌ ｒｏｌｅ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｓｉ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ；ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ；ｏｐｅｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏｌｔａｇｅ；ｌｏａｄ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ０ 引 言 为了缓解能源危机与环境污染，世界各国都在积 报道了关于温度与太阳能电池功率特性之间的关系， 指出太阳能电池温度减小，其输出功率呈上升态势，同 时还有文献¨ 报道了在晴天辐照稳定下，每ｍ 空间 极开发和利用太阳能等可再生能源 。 ，特别是太阳 能电池的应用已拓展到电力、通信、交通等各个领 太阳能电池聚光下的最大输出功率约是其不聚光下的 ５～６倍。可见，太阳能电池输出功率易受外界条件的 影响，因此，研究太阳能电池的适用条件，发挥其最佳 域 。太阳能电池与晶体管一样，由半导体组成，主 要材料是硅，用于制造太阳能电池的高纯硅是经过特 殊的提纯处理制作的。硅是一种良好的半导体材料， 储量丰富，而且性能稳定、无毒，因此对硅太阳能电池 的研究开发越来越受到重视 。目前，大量文献 。 收稿日期：２０１０—１２—０ｌ 基金项目：上海市教委和上海海洋大学重点课程建设项目（Ａ２６００． 工作性能，是非常重要的。目前，研究负载对太阳能电 池输出功率的影响甚少，太阳能电池负载特性的研究 对其开发和利用有着重要的现实意义。本文通过实验 测量了硅太阳能电池的基本物理特性，并研究了负载 对硅电池输出功率的最佳匹配问题。 １ 实验原理 太阳能电池的主要结构为ＰＮ结，当光照射在太 １０￣０５３，Ａ２６００—１０￣０５２）；上海市高校本科教育高地建设项目（Ｂ８５０７． ０８￣００６，Ｂ８５１５－１０￣００１） 作者简介：郭阳雪（１９７４一），女，河南南阳人，讲师，从事物理应用 及光电技术。Ｔｅ１．：０２１６１９０６１６；Ｅ．ｍａｉｌ：ｙｘｇｕｏ＠ｓｈ０ｕ．ｅｄｕ．Ｃｎ 阳能电池表面的ＰＮ结上时，只要入射光子的能量大 于半导体材料的禁带宽度，光子将被太阳能电池吸收 第７期 郭阳雪，等：硅太阳能电池输出功率与负载匹配特性 ２１ 而产生电子一空穴对，以恒定速率产生的电子一空穴 对提供了通过ＰＮ结的电流。当太阳能电池的输出端 短路时，即可得到短路电流， ；当太阳能电池的输出 端开路时，即可得开路电压Ｕ。 ；当太阳能电池接上负 载电阻尺 后，太阳能电池的输出电压和电流将随着负 载电阻的变化而变化，硅电池的输出功率也将随着负 载电阻的变化而变化。图１为硅电池等效电路图 ， 图中： 是恒流源；Ｄ是ＰＮ结；Ｒ 是并联电阻；Ｒ 是串 通过调节温度控制箱的温度，使其从２０～６０ ｃＩ＝变 化，测量开路电压和工作电压。结果表明，开路电压随 着温度的升高而降低，硅电池工作电压亦随温度的升 高而降低，温度每升高１ ｏＣ，ＰＮ结的导通电压约减少 ２．５ ｍＶ 。图３是硅电池的开路电压随温度变化的 曲线图，同时测量了短路电流，短路电流随温度的变化 很小，变化范围只有５％左右。硅电池的短路电流随 温度变化如图４所示。 联电阻。可以计算： 硅电池负载功率 ’ＰＬ：８２Ｌ／ＲＬ （１） 硅电池总输出功率 Ｐ＝Ｕ。。Ｕ ／ＲＬ （２） 式中： 是负载；Ｕ。 是开路电压；Ｕ 是负载电压。 图１ 硅电池等效电路图 只需要测量尺 的端电压 及开路电压 。 ，便 可以算出负载功率及硅电池总输出功率。功率因素 叩＝ＰＬ／Ｐ （３） 田可以标称硅电池输出功率的利用率。实验中限 定温度，改变负载大小，得到Ｐ 和负载ＪＲ 、叩和负载 Ｒ 之间的关系。 ２实验与结果 ２．１ 实验装置 本实验采用杭州大华公司ＤＨ６５２１型多功能太 阳能电池综合特性测试仪，实验装置示意图如图２ 所示，图中氙灯作为光源，经透镜会聚后照射到置于 温度控制箱中的太阳能电池板上，温度控制箱的温 度可调，调节范围１０～１００℃。负载是上海正阳仪 表厂ＺＸ９３Ｅ型直流电阻器；电压测量使用４位半数 字万用表。 ≥ 图２实验装置示意图 ２．２ 实验结果 ２．２．１硅电池基本参数测定 图３开路电压和温度关系曲线 ｛ ＼ 图４短路电流和温度关系曲线 ２．２．２ 一定温度下硅电池输出功率及功率因素 设定多功能太阳能电池综合特性测试仪的温度 控制箱温度ｔ在２１、２７和３１ ｏＣ，分别测量了不同负 载 下的负载电压 并根据式（１）～（３）计算出 Ｐ 、７／，利用Ｏｒｉｇｉｎ软件对实验数据进行拟合处理，如 图５所示。 ３ ２７ 。 、｜． ． 、、： 、暑 一２７￣ｌ 十３１ ｉ ■ 。 一２１￣１ ２ 。● 参 暑 ● ＼ ● ■ － ０ ５ Ｏ １０ ０ ＲＬ／ｋＱ 图５ Ｐ 和Ｒ 的关系曲线 ２２ 实 验 室 研 究 与 探 索 第３Ｏ卷 实验发现，硅电池的最大输出功率Ｐ 对应的负载 电阻Ｒ 约在１．３ ｋｉｔ。同时，对图５曲线进行求导，０Ａｌ ＡＪ Ｑ 得 到不同温度下的功率对负载的导数曲线，如图６所示。 结果表明，当负载Ｒ １．５ ｋｉｔ时，导数接近０，即负载 功率变化较为平稳。 ０ ０４ ２ｌ℃ ２７℃ Ｏ．Ｏ２ ３ｌ℃ ０ 、、、—————＿．＿一 Ｏ 尺ｌｌ／ｋＱ 图６不同温度下的Ｐ 一Ｒ 求导曲线 ＼ ＲＬ／ｋＱ 图７不同温度下的功率因素曲线 同样，对卵和负载绘制曲线，得到图７。可以看 出，当Ｒ。．一１．６５ ｋＵｔ时，负载功率占硅电池输出总功 率的比重较大，达到７０％。 综合以上实验可以得到：温度不同，负载和负载功 率曲线趋势变化不大；当负载 。． １．３ ｋｉｔ时，负载功 率比较大；负载尺 １．５ ｋｉｔ时，负载功率比较稳定； 负载Ｒ． ．１．６５ ｋｉｔ时，功率因素达到７０％。所以在使 用硅电池时，要根据具体要求（追求最大功率还是追 求稳定输出）选择负载范围，使得硅电池输出功率和 负载达到最佳匹配。 ３ 结 语 本文通过对硅太阳能电池输出功率与负载匹配特 性研究，测试了在一定温度条件下，硅电池的输出功率 特性，利用Ｏｒｉｇｉｎ软件对实验数据进行拟合处理，计算 出负载与硅电池输出功率的最佳匹配情况。实验结果 表明，在不同需求下，可以选择不同负载来满足追求最 大功率或者稳定的负载功率。实验结果对实际应用具 有一定的指导意义，有较高的实用价值。 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